Permasalahan dan Potensi Komunikasi Satelit dalam Era Global Internet

Abstrak

Dalam menghadapi era global internet ini, sistem satelit juga dikembangkan untuk dapat mendukung service-service tersebut. Diantara kelemahan-kelemahan yang dimiliki oleh sistem satelit jika dibandingkan dengan network terestrial, terdapat beberapa keunggulan unik yang dapat dimanfaatkan dan berpotensi tinggi untuk mendukung aplikasi multimedia seperti untuk broadcasting dan multicast.

Kekurangan sistem satelit, dalam hal ini adalah delay atau latency, dalam aplikasi internet dapat diatasi dengan menggunakan beberapa teknik seperti TCP Extention, TCP Spoofing agar performansi TCP menjadi lebih baik.

Pendahuluan

Diantara network mobile/wireless, network satelit GEO memiliki potensi yang tinggi terhadap aplikasi multimedia dengan kemampuan broadcast dan multicast data dalam jumlah yang besar pada areal yang sangat luas sehingga memberi kemungkinan hubungan secara global. Distribusi Internet via satelit, khususnya satelit di GEO, memberikan beberapa keuntungan/ keunggulan :

• Bandwidth lebar : satelit yang beroperasi pada frekuensi Ka-band (20-30 Ghz) akan dapat menyalurkan throughput dalam orde gigabit per detik.
• Relatif murah : sistem satelit relatif lebih murah karena tidak ada biaya penggelaran dan satu satelit dapat mengcover daerah yang luas.
• Topologi network sederhana : dibandingkan dengan model interkoneksi mesh pada network terestrial, satelit GEO memiliki konfigurasi yang lebih sederhana. Dengan topologi yang sederhana maka performansi network lebih mudah dikendalikan.

Satelit di LEO dan MEO dapat juga menyediakan kapasitas broadband serta global. Latency di LEO kurang-lebih dua kali lebih besar dibandingkan dengan network terestrial. Karena sifat alami satelit di LEO dan MEO yang tidak tetap terhadap bumi maka diperlukan konstelasi untuk memberikan service global. Dengan konstelasi ini menimbulkan tingkat kompleksitas yang tinggi dalam pengendalian satelit dan manajemen network (karena diperlukan handoff, tracking dan routing) dibandingkan dengan satelit GEO.

1. Aplikasi Internet

Aplikasi umum internet di antaranya : Web browsing, file transfer protocol (FTP), remote login (Telnet), video conferencing, e-mail, dan broadcasting. Aplikasi-aplikasi di atas memiliki requirement yang berbeda dalam hal bandwidth, kecepatan respons, toleransi terhadap noise sehingga akan menyebabkan performansi yang berbeda. Sebagai contoh : Remote login sangat sensitif terhadap delay. Biasanya pengguna/user mengharapkan response yang cepat selama login session, sedangkan videoconferencing biasanya dapat menerima sejumlah packet yang hilang atau error karena transmisi.

Gambar 1 dibawah ini menunjukkan bervariasinya kebutuhan akan bandwidth dan kecepatan response. Karena perbedaan-perbedaan tersebut maka teknik implementasinyapun akan sangat berbeda. Beberapa aplikasi memerlukan penyaluran informasi yang tergaransi (menggunakan TCP dan sensitif terhadap latency). Yang lain dapat menggunakan UDP atau protokol real-time lain yang dapat mentoleransi delay sehingga dapat bekerja dengan baik lewat satelit.

Gambar 1 Keterkaitan Aplikasi dengan Kecepatan Response

2. TCP pada Network dengan Delay Tinggi

Saat ini Internet banyak menggunakan TCP untuk aplikasi-aplikasi utamanya. Performansi TCP pada network ber-delay tinggi mempunyai pengaruh langsung pada performansi akses internet yang menggunakan satelit GEO. Delay ini dirasakan sangat lambat jika akan mentransfer file dalam jumlah besar. Delay satu arah di GEO kurang-lebih 250-270milidetik, sementara protokol TCP mensyaratkan bahwa penerima harus mengirimkan acknowledgement ke pengirim untuk memberitahukan bahwa segment yang dikirimkan telah diterima dan menunggu segment berikutnya. Jadi untuk pengiriman satu segment diperlukan kurang-lebih 500-540 milidetik, nilai sebesar ini akan sangat memperlambat proses transmisi data.

Jika kita memiliki link T1 (1.544 Mbps) dan mentransmisikan segment 64 KB tiap window TCP, akan diperlukan 339 milidetik untuk mentransmisikan segment. Receiver akan menerima segment setelah 270 milidetik dan sender akan menerima acknowledgement setelah 270 milidetik berikutnya, sehingga diperlukan 879 milidetik untuk mentransmisikan satu segment secara lengkap.

Berikut ini akan disampaikan isu-isu performansi yang penting dalam penggunaan TCP.

Window Size

Flow-control TCP bermula dari konsep "Window Size".. Saat ini Window Size maksimum TCP adalah 64 Kb. Pada network ber-delay tinggi akan banyak paket-paket yang tidak dapat di-acknowledge. Untuk memaksimalkan pemanfaatan bandwidth pada network satelit, TCP memerlukan window size yang lebih besar. Sebagai contoh, link satelit dengan round-trip delay 0.8 detik dan bandwidth sebesar 1.54 Mbps maka secara teoritis window size yang optimal adalah 154 kb (Jauh di atas standard yang ada yaitu 64 Kb).

Suatu TCP-Extention, dikenal dengan nama TCP-LW (Large-Window), didefinisikan untuk memperlebar window size yaitu dari 2¹⁶ sampai 2³² sehingga memungkinkan memanfaatkan bandwidth seoptimal mungkin serta untuk mendapatkan performansi yang lebih baik melalui link satelit.

Adaptasi Bandwidth

TCP mampu beradaptasi terhadap bandwidth network dengan melakukan mengatur window size-nya. Kecepatan adaptasi berbanding lurus dengan latency. Pada network satelit, adaptasi memerlukan waktu yang lebih lama dan sebagai hasilnya TCP congestion control menjadi tidak efektif.

Slow Start

Slow start diperkenalkan pada tahun 1988 oleh Jacobson dan dinyatakan sebagai salah satu requirement pada tahun 1989. Slow start digunakan untuk secara bertahap meningkatkan rate data ke network. Dimulai dengan mengirimkan satu buah segment dan menunggu acknowledgement dari receiver. Untuk tiap acknowledgement yang diterima oleh pengirim, akan dikirim dua segment ke network, sehingga diperoleh peningkatan pengiriman data secara eksponensial. Slow start berhenti saat windownya tercapai atau mendeteksi data loss.

Karena waktu yang diperlukan slow start untuk mencapai bandwidth yang tersedia merupakan fungsi waktu round-trip, maka link satelit sangat sensitif terhadap keterbatasan throughput yang tersedia selama slow start.

Pada satu sisi slow start mencegah terjadinya congesti sebelum diperoleh assesment ketersediaan bandwidth, disisi yang lain pemanfaatan bandwidth TCP menjadi tidak optimal selama proses assesment-nya. Sehingga semakin pendek TCP Slow-start berakhir, semakin baik performansi tercapai.
 

3. Pendekatan-pendekatan untuk Peningkatan Performansi

Telah banyak teknik yang dikembangkan untuk mengurangi pengaruh dari latency. Alternatif pertama adalah dengan mengadopsi salah satu versi TCP yang memberikan performansi yang baik di satelit dan tidak mengurangi performansi melalui terestrial. Pendekatan kedua adalah dengan menggantungkan diri pada gateway satelit untuk melakukan fungsi khusus dalam mempercepat session TCP. Sedangkan pendekatan ketiga adalah dengan mengembangkan implementasi yang lebih baik atas aplikasi-aplikasi umum sehingga didapatkan penggunaan TCP yang lebih efisien dan lebih sensitif. Berikut beberapa alternatif untuk peningkatan performansi TCP.

TCP Extention

Beberapa permasalahan yang ada di sistem satelit GEO saat ini akan muncul juga pada network terestrial high-speed fibre masa depan. Permasalahan seperti lebar window size, periode slow-start yang lebih panjang, serta adaptasi bandwidth yang tidak efisien akan mempengaruhi kedua network tersebut. Berbagai teknik yang telah disebutkan di atas seperti TCP-LW dapat digunakan.

Middleware

Perbaikan performansi dalam beberapa hal dapat dilakukan dengan bekerja langsung pada level infrastruktur tanpa perlu melakukan modifikasi pada TCP-nya, yang dikenal dengan istilah layer middleware. Jika melakukan modifikasi pada TCP diperlukan perubahan-perubahan pada operating system dari tiap end host, sedangkan dengan teknik ini hanya diperlukan perubahan sedikit atau bahkan tanpa perubahan apapun. Terdapat dua jenis middleware, yaitu :

Split TCP

Ide dari Split TCP adalah dengan membagi koneksi end-to-end TCP menjadi dua atau tiga segment. Tiap segment merupakan koneksi TCP yang lengkap. Aliran data diforward dari satu segment ke segment yang lain (jika perlu dilakukan buffering). Jika Split TCP dilakukan pada link satelit, maka segment ditengah menjembatani link satelit, sedangkan segment lain menghubungkan router-router yang menghubungkan internet terestrial dan link satelit ke endpoint. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2 Konfigurasi Split TCP

Pemisahan ini mampu mengisolasi dampak dari long latency. Jika segment pertama dan terakhir TCP merupakan network dengan latency rendah, maka TCP slow-start dapat dipercepat sehingga window size normal dapat diaplikasikan dan bekerja dengan baik. Bagaimanapun juga segment ditengah (link satelit) memerlukan perlakukan khusus seperti pelebaran window size. Teknik ini hanya memerlukan perubahan minor pada sofware.
 
TCP Spoofing
Pada teknik ini, gateway intermediate (biasanya menggunakan link satelit) menganggap menerima segment TCP dalam keadaan baik tanpa perlu menunggu acknowledgement dari receiver. Hal ini memberi ilusi network dengan latency rendah pada sender sehingga phase TCP slow start dapat dipercepat, seperti terlihat pada Gambar 3. Intermediate gateway membuffer segment TCP. Saat acknowledgement sebenarnya diterima oleh gateway tersebut maka akan dihapus oleh gateway untuk mencegah terjadinya acknowledgement ganda di sisi sender. Jika acknowledgement tidak juga diterima dan gateway mengalami time-out, maka akan dilakukan retransmit dari buffernya. Seperti Split TCP, TCP Spoofing mematahkan konsep semantic end-to-end TCP karena sender berfikir bahwa suatu segment telah sampai ditujuan padahal sebenarnya masih dalam perjalanan. Teknik-teknik ini dapat diterima oleh banyak aplikasi seperti browsing WWW melalui proxy, tetapi akan menyebabkan masalah jika suatu aplikasi dibangun dengan menggunakan end-to-end semantics.

Gambar 3 Konfigurasi TCP Spoofing

4. Potensi Pemanfaatan Satelit

Untuk jenis aplikasi tersebut di atas satelit memberikan alternatif solusi. Juga memberikan jaminan komunikasi ke daerah yang belum terjangkau infrastruktur telekomunikasi terestrial. Komunikasi satelit broadcast dapat menawarkan kanal untuk komunikasi data yang ekonomis dan efisien. Secara sederhana teknologi broadcast memungkinkan pengiriman informasi ke pelanggan-pelanggan dalam waktu yang bersamaan. Tetapi dalam beberapa kasus, informasi tidak disebarkan ke seluruh pelanggan, tetapi hanya ke beberapa pelanggan. Sehingga operator harus mampu menyebarkan informasi secara selektif sesuai tujuan.

Satelit di GEO sangat cocok sebagai media Mbone (Virtual network via internet untuk aplikasi-aplikasi multicast). Saat ini untuk penggunaan terestrial Mbone, data harus melalui link-link dalam jumlah yang sangat banyak dan menduplikasikan diri pada router-router yang sangat banyak. (Lihat Gambar 4 dibawah ini). Hal ini memakan bandwidth yang cukup besar dan meningkatkan kemungkinan kongesti pada tiap router sepanjang jalur.

Gambar 4 Konfigurasi Network Multicast Terestrial

Disisi lain, multicast melalui satelit dapat mendeliver data langsung ke end-user atau host dengan cost yang minim. Gambar 5 dibawah ini menunjukkan Mbone koneksi dengan menggunakan satelit.

Gambar 5 Konfigurasi Network Multicast Satelit

Aplikasi-aplikasi yang dapat dilakukan dengan multicast via satelit ini diantaranya : delivery data, tayangan langsung audio dan video, informasi stock market , juga multicast merupakan salah satu pilihan yang bagus untuk Direct-to-home digital.

Multicast merupakan salah satu kunci keunggulan sistem satelit dalam penyebaran informasi atau data. Penyebaran data dengan menggunakan multicast yang berbasis teknologi satelit digital dapat lebih ekonomis dan efisien daripada network terestrial karena perusahaan atau service provider dapat menjangkau remote atau pelanggannya dalam jumlah yang relatif banyak secara simultan dengan penggunaan network yang lebih efisien.

Kesimpulan

Daftar Pustaka :

1. W.R Stevens. TCP/IP Illustrated Volume 3 . Addison-Wesley Publishing Company,1996.
2. E. Amir. A Map of the Mbone : 5 Agustus 1996, http://www.cs.berkeley.edu/~elan/mbone.html
3. Mark Allman, Chris Hayes, Hans Kruse, Shawn Astermann. TCP Performance over Satellite Links.
4. Charalambous P. Charalambous. Intro to Communication Network, 5 May 1997.
5. Satellite Communications, April 1998.

Artikel lain: